【正文】 2 系統(tǒng)控制及所用軟件概述2 系統(tǒng)控制及所用軟件概述 步進(jìn)電機(jī)概述 步進(jìn)電機(jī)的定義步進(jìn)電機(jī)指的是以數(shù)字脈沖信號(hào)作為電機(jī)線或教位移的控制信號(hào)，并以數(shù)字脈沖頻率對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的動(dòng)力控制系統(tǒng)。電機(jī)的運(yùn)行角度只和每次所給予的脈沖信號(hào)強(qiáng)度有關(guān)，而電機(jī)的運(yùn)行速度也只和脈沖信號(hào)的頻率有直接關(guān)系。 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行原理概述慢速同步電動(dòng)機(jī)是感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的別稱。打個(gè)比方：以相序四，節(jié)拍為八來運(yùn)轉(zhuǎn)(AABBBCCCDDDAA)也能夠使用兩相八拍的運(yùn)轉(zhuǎn)模式。一個(gè)二相電機(jī)的內(nèi)部繞組和四相的全部一樣，在實(shí)際使用中，相序?yàn)槎嗟幕緸楣β瘦^小的電機(jī)，而功率大一點(diǎn)的電機(jī)，為了充分應(yīng)用其靈活的動(dòng)態(tài)特性，通常用八根接線對其進(jìn)行連接通電，這樣應(yīng)用的好處是：電機(jī)不但能以四相應(yīng)用，也能二相應(yīng)用，大大提高了其利用率。因此在理論上我們可以制造出任何相序的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，但是由于制造工藝、制造價(jià)格等多方面因素限制，市場上一般售賣的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相序以二至五相的居多。按照機(jī)座號(hào)可分為：42BYG、57BYG、86BYG、110BYG (國際標(biāo)準(zhǔn))。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的常用方式使用變頻器對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制時(shí)，可以很好的解決步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)和停止時(shí)容易失步的問題，提高了系統(tǒng)的控制精度。2. PLC控制方式西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用ABB、西門子、歐姆龍等國際知名PLC生產(chǎn)制造商研發(fā)的系列PLC產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的理想化控制，但是基于PLC核心的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)成本高昂，且難以實(shí)現(xiàn)精確控制，在本系統(tǒng)中不太適合。這些優(yōu)勢使得單片機(jī)在各行各業(yè)的應(yīng)用都達(dá)到了一個(gè)新的高度。 PROTEUS軟件簡介英國Lab center electronics公司研發(fā)的Proteus ISIS[24]軟件一款用于電子分析和系統(tǒng)仿真的軟件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。它可以對數(shù)字、模擬電路和嵌入式開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件仿真且基于Windows平臺(tái)，其特性包括以下幾方面[25]：。，對電路系統(tǒng)完成原理圖設(shè)計(jì)后可直接進(jìn)行印刷電路板的繪制。支持編譯和調(diào)試環(huán)境軟件KEILC51與其的完美結(jié)合。 KEILC51軟件簡介KEILC51是美國KEIL Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。且使用KEILC51進(jìn)行軟件開發(fā)時(shí)，生成語句快，代碼緊湊，簡單易懂。KEILC51提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境將這些部分組合在一起。 本章小結(jié)通過查閱步進(jìn)電機(jī)相關(guān)資料，了解了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行原理及控制方式，并確定了本課題的控制方式。并查閱軟件資料，學(xué)習(xí)了相關(guān)軟件，為后續(xù)設(shè)計(jì)的開展打下了基礎(chǔ)。硬件設(shè)計(jì)上釆用AT89C51單片機(jī)為控制核心，結(jié)合外圍電路的擴(kuò)展和通訊實(shí)現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)的搭建，在軟件設(shè)計(jì)上采用C語言進(jìn)行程序模塊的編制[24]，根據(jù)系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的功能按照模塊程序流程的編制思想，對系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程，整個(gè)系統(tǒng)以軟件結(jié)合硬件的設(shè)計(jì)思路組建，通過電路原理圖的繪制、PCB電路板的搭建和系統(tǒng)仿真等一系列步驟，完成對系統(tǒng)的研究和應(yīng)用設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)的硬件和軟件仿真可在WINDOWS環(huán)境下進(jìn)行，在實(shí)際調(diào)試的過程中，可以根據(jù)程序模塊的實(shí)際需求進(jìn)行擴(kuò)展和修改，并實(shí)現(xiàn)即時(shí)的更新功能?？紤]到本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于畢業(yè)設(shè)計(jì)的，因此在設(shè)計(jì)中以畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求為準(zhǔn)。具體來說，應(yīng)該盡量采用典型的電路模塊，以適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)研發(fā)的要求，同時(shí)，本系統(tǒng)需要在PROTEUS仿真平臺(tái)下進(jìn)行預(yù)測試，因此，在電路設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到仿真元件的可移植性，以便于進(jìn)行系統(tǒng)硬件仿真。軟件程序的編制要根據(jù)硬件電路的功能來進(jìn)行，盡量采用模塊化程序編制的方式進(jìn)行，層次結(jié)構(gòu)需要清晰可調(diào)，同時(shí)需要具備與上位機(jī)的通訊功能，程序也要具備良好的可移植性，保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)能浖_發(fā)框架。考慮到系統(tǒng)在設(shè)計(jì)完成之后需要出實(shí)物，因此需要完成對系統(tǒng)PCB電路板的繪制。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，需要對其進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性。 系統(tǒng)功能概述本系統(tǒng)基于畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，需要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，將磁場強(qiáng)度不同的永久磁條，通過固定架固定在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其永久磁鐵產(chǎn)生的磁場也跟著旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。具體一點(diǎn)說就是，本系統(tǒng)利用AT89S51單片機(jī)強(qiáng)大的控制功能，產(chǎn)生一定頻率的脈沖序列精確控制功率ULN2003A驅(qū)動(dòng)芯片，從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以控制旋轉(zhuǎn)磁場的頻率；鍵盤可控制步進(jìn)電機(jī)的停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速和減速。在綜合考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)等各方面因素后明確系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能：硬件部分：(1)單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所需的平穩(wěn)電壓；(2)液晶顯示模塊；(3)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的鍵盤；(4)時(shí)鐘電路與復(fù)位電路；(5)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)和功率放大電路設(shè)計(jì)；（6）串口通訊模塊；（7）外擴(kuò)程序存儲(chǔ)模塊；（8）用PROTEUS對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)、仿真和對系統(tǒng)輸出進(jìn)行測試。 系統(tǒng)原理概述本系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)作為核心，通過外部擴(kuò)展其他硬件完成對步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的顯示。P2口所有引腳和P3口的部分引腳用于外接AMPIRE128*64液晶顯示模塊。在實(shí)際工作時(shí)，當(dāng)R/W為低電平，E為信號(hào)下降沿時(shí)鎖存DB0DB7的數(shù)據(jù)；R/W為高電平，E為信號(hào)上升沿時(shí)，DDRAM的數(shù)據(jù)讀到DB0DB7中。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分采用專用芯片ULN2003A進(jìn)行控制，其輸出管腳1C4C連接四相六線步進(jìn)電機(jī)的相序控制端。當(dāng)然ULN2003A在接入單片機(jī)控制脈沖時(shí)必須連接限流電阻，這已經(jīng)在原理圖上反映出來了。液晶顯示器可以實(shí)時(shí)監(jiān)控步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)；并通過串口實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)通信。并且制定了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，接下來才可以選出合適的器件以及對系統(tǒng)進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)是一種低功耗/電壓、高性能的8位單片機(jī)，它采用CMOS和高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都可以和MCS51系統(tǒng)兼容，片內(nèi)的Flash ROM允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或者用其他編程器件進(jìn)行編程。其次，由于單片機(jī)輸出的脈沖信號(hào)非常微弱，不能直接用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，因此需要采用功率驅(qū)動(dòng)芯片。再次，考慮到要對系統(tǒng)進(jìn)行精確控制，因此需要采用人機(jī)對話的方式進(jìn)行，具體來來說，需要采用按鍵控制實(shí)現(xiàn)。獨(dú)立按鍵的設(shè)計(jì)可以很好的節(jié)約系統(tǒng)I/O端子，同時(shí)在軟件編程中也更易操作，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。最后，通過液晶顯示模塊顯示參數(shù)。 系統(tǒng)主要器件選擇 單片機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)，AT89C51單片機(jī)由美國ATMEL公司生產(chǎn)，具有低電壓和高性能等特點(diǎn)，并且屬于CM0S8位單片機(jī)系列。該器件的生產(chǎn)技術(shù)具有集成度高、程序不容流失且保持時(shí)間長等存儲(chǔ)有點(diǎn)，對MCS51指令系統(tǒng)也完全兼容[26]。：西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） AT89C51引腳結(jié)構(gòu)圖：兼容MCS51系列單片機(jī)；4k重復(fù)利用閃存；指令擦寫周期數(shù)可達(dá)到一千次；全靜態(tài)操作；0赫茲～24兆赫茲；3級的ROM加密級別，良好的程序保密性；內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器達(dá)128*8K；I/0數(shù)據(jù)口達(dá)32個(gè)，且都可獨(dú)立編程；兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，位數(shù)為16位；六個(gè)中斷源；可編程串行UART通道。在使用時(shí)，該款單片機(jī)邏輯操作頻率可達(dá)O赫茲，且省電模式達(dá)到兩種。[30]：VCC：供電電壓；GND：接地；P0口：P0口為一個(gè)8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為低八位地址接收。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，： P3口的特殊功能管腳特殊功能RXD（串行輸入口）TXD（串行輸出口）（外部中斷0）（外部中斷1）T0（計(jì)時(shí)器0外部輸入）T1（計(jì)時(shí)器1外部輸入）（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。另外，該引腳被略微拉高。：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。注意加密方式1時(shí)，將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。石英振蕩和陶瓷振蕩均可采用。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。：該單片機(jī)內(nèi)部沒有存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)用戶程序，因此需要增加外擴(kuò)器，本設(shè)計(jì)采用27512EPROM。以下是該步進(jìn)電機(jī)的主要性能和參數(shù)特性：步距角精度：177。適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。 外擴(kuò)程序存儲(chǔ)芯片本設(shè)計(jì)采用EPROM27512芯片，EPROM芯片可重復(fù)擦除和寫入，解決了PROM芯片只能寫入一次的弊端。EPROM內(nèi)資料的寫入要用專用的編程器，并且往芯片中寫內(nèi)容時(shí)必須要加一定的編程電壓（VPP=1224V，隨不同的芯片型號(hào)而定）。 74LS373芯片373為三態(tài)輸出的八口透明鎖存器，共有54S373和74LS373兩種線路結(jié)構(gòu)型式。當(dāng)三態(tài)允許控制端OE為低電平時(shí)，Q0～Q7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。當(dāng)鎖存允許端LE為高電平時(shí)，Q隨數(shù)據(jù)D而變。當(dāng)LE端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善400mV。本設(shè)計(jì)中選用它來作為單片機(jī)脈沖信號(hào)輸出和ULN2003A功率驅(qū)動(dòng)芯片之間的連接芯片。 CD4068芯片CD4068為與非/與門芯片，其主要性能和參數(shù)為：有2個(gè)輸出端口，1腳為與門信號(hào)輸出端，13腳為與非信號(hào)輸出端。主要參數(shù)有：電壓參數(shù)：電源電壓范圍為3V～5V；電流參數(shù)：輸入電流為177。 液晶顯示器的選擇液晶顯示器件（LCD）獨(dú)具的低壓、微功耗特性使他在單片機(jī)系統(tǒng)中特得到了廣泛的應(yīng)用，常用的液晶顯示模塊分為數(shù)顯液晶模塊、點(diǎn)陣字符液晶模塊和點(diǎn)陣圖形液晶模塊，其中圖形液晶模塊在我國應(yīng)用較為廣泛，因?yàn)闈h字不能像西文字符那樣用字符模塊即可顯示，因此采用液晶顯示器來顯示，本設(shè)計(jì)選擇的LCD是AMPIRE12864的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形。復(fù)位信號(hào)從單片機(jī)的RST引腳輸入，本設(shè)計(jì)采用的是按鍵電平復(fù)位，： 復(fù)位電路模塊 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由于單片機(jī)的輸出脈沖非常微弱，不能直接用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，因此需要采用功率驅(qū)動(dòng)芯片。： 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊 串口通訊電路模塊為了實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)也能控制該系統(tǒng)以及與計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)通訊，本系統(tǒng)采用MAX232與一些外圍器件組成本系統(tǒng)的串口通訊模塊，： 按鍵電路模塊本系統(tǒng)需要對步進(jìn)電機(jī)的停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速和減速給予控制，因此需要五個(gè)獨(dú)立按鍵，并結(jié)合外圍器件電阻及CD4068八輸入與非/與門芯片實(shí)現(xiàn)多步進(jìn)電機(jī)的控制，： 按鍵控制電路模塊 液晶顯示電路模塊本系統(tǒng)采用AMPIRE128*64液晶顯示器作為系統(tǒng)的顯示模塊，該液晶顯示器共有18個(gè)引腳，GND端接地，VCC和RST引腳連接+5V電源信號(hào)，R/，V0連接滑動(dòng)變阻器。5 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)5 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)說明本部分介紹步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程。 單片機(jī)主程序流程和初始化模塊在本部分程序中，我們主要的工作量有：對所需要用到的一些函數(shù)進(jìn)行定義、對單片機(jī)的一些管腳進(jìn)行定義，設(shè)置定時(shí)器的參數(shù)以及設(shè)置液晶顯示器初始顯示字符等。在單片機(jī)初始化后，我們還要對LCD進(jìn)行初始化，由于單片機(jī)和LCD初始化的速率是不一樣的，因此我們要在兩者之間插如一個(gè)足夠長時(shí)間的延時(shí)程序以確保系統(tǒng)正常工作。因此，可將系統(tǒng)工作流程圖設(shè)計(jì)如下：開始單片機(jī)初始化延時(shí)子程序LCD初始化掃描鍵盤判斷按鍵類型,調(diào)用定時(shí)中斷程序控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行 主程序流程圖 LCD初始化及顯示判斷模塊西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）本設(shè)計(jì)采用AMPIRE128*64液晶模塊對步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行顯示。因此，可將LCD初始化程序流程圖總結(jié)如下：定義LCD顯示各項(xiàng)函數(shù)判斷LCD忙寫指令代碼寫數(shù)據(jù)代碼LCD開顯示 LCD初始化流程圖 按鍵掃描定時(shí)中斷控制模塊根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)包含5個(gè)獨(dú)立按鍵，分別對步進(jìn)電機(jī)的停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速和減速運(yùn)行給予控制，結(jié)合相應(yīng)的電阻、電容等外圍器件。因此，可繪制按鍵掃描及中斷程序及框圖如下：定時(shí)器1開中斷 延時(shí)KEY1按下？調(diào)正轉(zhuǎn)運(yùn)行子程序 Y NKEY2按下？調(diào)停止運(yùn)行子程序 Y